JP2005152628A - 複数のビームを送信する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マルチビーム送信を用いて超音波データを収集する方法が提供する。
【解決手段】 本発明の一態様によれば、第１のサブセットの素子（１５６）を用いて第１の送信ビーム（１５２）を送信する段階と、第２のサブセットの素子（１５８）を用いて第２の送信ビーム（１５４）を送信する段階とを含む方法が提供される。第１及び第２のサブセットの素子（１５８、１５８）は、少なくとも１つの共通素子（１０４）を含む。第１及び第２のビーム（１５２、１５４）は同時に送信される。素子（１０４）は、少なくとも部分的に異なるサブセットの素子（１０４）を含むことができる第１及び第２のサブセット（１０４）に分割される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、一般に診断用超音波システムに関する。具体的には、本発明は、単一の変換器を用いて複数のビームを送信及び受信する方法及び装置に関する。

データを収集するために、１つより多い重なりの無いアパーチャに送信する変換器が存在する。複数のアパーチャを使用する際に、カラードップラー、並びに３Ｄ及び４Ｄイメージング用に必要とされるデータ速度を得るためには、フレームレートを大きくする方法及び装置が要求される。
米国特許第６５１７４８９号

従って、人体内部を走査する複数のビームを表すデータを取得して、上述の問題及び他のこれまでに経験された問題に対処する装置及び方法が望まれる。

図１は、本発明の実施形態に従って形成された超音波システム１００のブロック図を示す。超音波システム１００は、変換器１０６内の素子１０４を励起して身体内にパルス超音波信号を放射するマルチライン送信器１０２を含む。マルチライン送信器１０２は、Ｎ個のラインを送信することができる。コードジェネレータ１２４は、Ｎ個のラインを送信する場合に使用することのできる１つ又はそれ以上のコードを発生する。様々な幾何形状を用いることができる。超音波信号は、血球又は筋組織のような身体内の組織から後方散乱されて素子１０４に戻るエコーを発生する。エコーは、マルチライン受信器１０８によって受信される。受信されたエコーは、Ｍ個のラインを含んでおり、Ｍはマルチライン送信のＮよりも大きい。受信されたエコーは、少なくともＭ個の受信チャネル、即ち受信ライン当たり１つの受信チャネルを含むビームフォーマ１１０を通過し、該ビームフォーマがビーム形成を行う。ビームフォーマ１１０は、Ｍ個の受信ラインのデータをデコードするデコードフィルタにデータを送る。コードジェネレータ１２４及びデコードフィルタ１２６について更に以下に述べる。次にＲＦ信号は、ＲＦプロセッサ１１２を通る。或いは、ＲＦプロセッサ１１２は、ＲＦ信号を復調してエコー信号を示すＩＱデータペアを形成する複合復調器（図示せず）を含むことができる。次いで、ＲＦ又はＩＱ信号データは、一時的記憶域のＲＦ／ＩＱバッファに直接送ることができる。ユーザ入力装置１２０を用いて、患者データ、走査パラメータ、走査モードの変更、及び同様のものを入力することができる。

超音波システム１００はまた、収集された超音波情報（即ち、ＲＦ信号データ又はＩＱデータペア）を処理して表示装置システム１１８上に表示するための超音波情報のフレームを作製する信号プロセッサ１１６を含む。信号プロセッサ１１６は、収集された超音波情報に対して複数の選択可能な超音波診断装置による１つ又はそれ以上の処理演算を実行するように適合されている。収集された超音波情報は、エコー信号が受信される時の走査セッション中にリアルタイムで処理することができる。更に又は代替的に、走査セッション中は超音波情報をＲＦ／ＩＱバッファに一時的に格納して、リアルタイムで即時に又はオフライン操作で処理することができる。

超音波システム１００は、人の眼のほぼ知覚速度である毎秒５０フレームを超えるフレームレートで超音波情報を連続的に収集することができる。収集された超音波情報は、より遅いフレームレートで表示システム１１８上に表示される。直ちに表示されるよう予定されていない収集された超音波情報の処理済みフレームを記憶するために、画像バッファ１２２を含む。好ましくは画像バッファ１２２は、少なくとも数秒間の超音波情報のフレームを十分記憶できる容量のものである。超音波情報のフレームは、収集の順番又は時間による検索を容易にする方法で記憶される。画像バッファ１２２は、任意の公知の記憶媒体を含むことができる。

図２は、本発明の１つの実施形態により形成された超音波システムを示す。本システムは、送信器１２及び受信器１４に接続された変換器１０を含む。変換器１０は、超音波パルスを送信し、走査された超音波画像又はボリューム１６の内部の構造体からのエコーを受信する。メモリ２０は、走査された超音波画像又はボリューム１６由来の受信器１４からの超音波データを記憶する。画像又はボリューム１６は、様々な技術（例えば、３Ｄ走査、リアルタイム３Ｄイメージング、ボリューム走査、位置決めセンサを有する素子のアレイを用いた２Ｄ走査、ボクセル相関技法を用いるフリーハンド走査、２Ｄ又はマトリクスアレイ変換器など）によって得ることができる。

変換器１０は、画像を走査しながら直線経路又はアーチ形経路に沿うように移動する。走査平面はメモリ２０内に記憶され、次に走査コンバータ４２に送られる。幾つかの実施形態においては、変換器１０は、走査平面１８ではなくラインを収集することができ、メモリ２０は、走査平面１８ではなく変換器１０によって得られたラインを記憶することができる。走査コンバータ４２は、走査平面１８ではなく変換器１０によって得られたラインを記憶することができる。走査コンバータ４２は、単一の走査平面１８からデータスライスを生成する。データスライスは、スライスメモリ４４に記憶され、次にビデオプロセッサ５０及び表示装置６７に送られる。

図３は、２つの重なりアパーチャを用いて収集された画像１５０を示す。画像１５０は、第１及び第２の送信ビーム１５２及び１５４を用いて形成される。マルチライン送信器１０２は、第１及び第２の送信ビーム１５２及び１５４を同時に発射する。第１及び第２の送信ビーム１５２及び１５４は、画像１５０の両側に位置するように示されているが、ビームフォーマ１１０は、第１及び第２の送信ビーム１５２及び１５４が画像１５０内の任意の場所に位置するように集束及び操向することができる点を理解されたい。従って、第１及び第２の送信ビーム１５２及び１５４は、異なる焦点又は共通の焦点を有することができる。第１及び第２の送信ビーム１５２及び１５４を用いて、例えば、Ｂモードボリューム、カラーフロー、ドップラー、或いはデータモードの組み合わせを収集することができる。

変換器１０６は、前述のように素子１０４を含む。線形に限定するものではなく、実質的な凸形直線、湾曲状アレイ、２Ｄアレイ及びボリュームプローブを含む多くの種類の変換器１０を使用することができる。ビームフォーマ１１０は、素子１０４を分割ライン１７２及び１７４によって示される少なくとも２つの重なりアパーチャに分割する。重なりアパーチャは、隣接する素子１０４を含む。素子１０４は、２つのアパーチャ、即ち第１及び第２のサブセット１５６及び１５８に分割される。第１のサブセット１５６は、ラインを送受して第１の送信ビーム１５２を形成する素子１０４を含む。第２のサブセット１５８は、ラインを送受して第２の送信ビーム１５４を形成する素子１０４を含む。

送信ビーム１５２及び１５４の各々は、複数の送信ラインを含む。明確にするために、それぞれサブセット１５６及び１５８内から素子１０４によって送信される送信ライン１６０及び１６２が示されている。送信ライン１６０及び１６２は、同時に発射される。素子１０４の各々は、送信ライン１６０及び１６２を個別に送信することができる点を理解されたい。

少なくとも１つの受信ライン１６４〜１７０は、各送信ライン１６０及び１６２に対して受信される。図３では、２つの受信ライン１６４〜１７０が、各送信ライン１６０及び１６２に基づいて受信される。複数の受信ライン１６４〜１７０、例えば送信ライン１６０及び１６２につき４つを受信することができる。全ての受信ライン１６４〜１７０からの受信データは、単一のデータセットに更に処理されて表示装置６７上に表示される。

図３の素子１０４は、２つの等しい大きさのアパーチャ、即ち等しい数の素子１０４を有する第１及び第２のサブセット１５６及び１５８に分割することができる。しかしながら、第１及び第２のサブセットが等しいものである必要はない。第１又は第２のサブセット１５６及び１５８の何れかは、より多い数の素子１０４を含むことができる。また、第１及び第２の送信ビーム１５２及び１５４の一方又は両方は、ビームフォーマ１１０によって操向されるときに、これらのそれぞれのアパーチャを低減することができる。アパーチャは、変換器１０の種類、アプリケーションプロトコル及び同様のものに基づいて予め定めることができる。

また、１つのサブセットの素子１０４によって送信され、異なるサブセットの素子１０４によって受信されたエコー信号は、コードジェネレータ１２４によってフィルタ処理される。

図４は、重なりアパーチャを用いて収集される画像２００を示す。ビームフォーマ１１０は、素子１０４を重なり部分を有する少なくとも２つのアパーチャに分割する。従って、素子１０４は、分割ライン２１６及び２１８によって示された２つのアパーチャ、即ち第１及び第２のサブセット２０２及び２０４に分割される。図３の場合のように、重なりアパーチャは、隣接する素子１０４を含む。第１及び第２のサブセット２０２及び２０４は、共通領域２０６を形成する共通の素子１０４を含む。上述のように、素子１０４は、２つより多い重なりアパーチャに分割することができる。

第１及び第２の送信ビーム２０８及び２１０は、前述のように同時に発射される。第１及び第２の送信ビーム２０８及び２１０は、例えば、プッシュ／プル増幅器又は線形増幅器の何れかを用いて送信することができる。増幅器は、マルチライン送信器１０２上に配置される。２つ又はそれ以上の重なりアパーチャを使用する場合には、線形増幅器、５レベル増幅器、又は２Ｎ＋１レベル増幅器が望ましいとすることができる。５レベル増幅器は、±１０Ｖ及び±２０Ｖ電源を用いて、−２０Ｖ、−１０Ｖ、０、＋１０Ｖ、及び＋２０Ｖの電圧レベルを供給する。２Ｎ＋１レベル増幅器は、Ｎ個の増幅器を用いて複数の電圧レベルを供給する。５レベル増幅器又は２Ｎ＋１レベル増幅器を使用することにより、コストなどの線形増幅器のマイナス面が無く線形増幅器に極めて近い性質をもたらす。共通領域２０６内の素子１０４の発射は２回、すなわち第１送信ビーム２０８に対して１回と第２の送信ビーム２１０に対して１回行われる。実施例によれば、送信ライン２１２及び２１４を生成する素子１０４が、共通領域内にあるときには、送信ライン２１２及び２１４は２回発射される。従って共通領域２０６内でのフレームレートが増大する。送信ライン２１２及び２１４がＮ回発射される場合には、フレームレートはＮ倍に増大し、時間における分解能が改善される。

図５は、共通領域２０６内で発生し得る発射シーケンスの実施例を示す。第１の発射シーケンス２２０は、第１の送信ビーム２０８に対して発射される第１の送信パルス２２２と第２の送信ビーム２１０に対して発射される第２の送信パルス２２４とを示す。第１及び第２の送信パルス２２２及び２２４の両方は、共通領域２０６内の単一の素子１０４から発射され、各々は振幅が１である。第１の発射シーケンス２２０は、第１及び第２の送信パルス２２２及び２２４が、パルス２２２及び２２４を重ならないようにするのに充分な大きさの位相シフトを有している実施例を示す。

第１及び第２の送信パルス２２２及び２２４が互いに対して零度の位相シフトを有するような第２の発射シーケンス２２６が示されている。第１及び第２の送信パルス２２２及び２２４は、互いに完全に重なり合っており、振幅が２である。

第１及び第２の送信パルス２２２及び２２４が互いに対して１８０度の位相シフトを有するような第３の発射シーケンスが示されている。第１及び第２の送信パルスは、互いに本質的に相殺され、零振幅のパルスが発生する。第１から第３の発射シーケンス２２０、２２６及び２２８は、第１及び第２の送信パルス２２２及び２２４に最大の影響を及ぼす位相シフトを示し、これ以外の位相シフトは様々な角度に対して重なり合う発射シーケンスを生成することになる点を理解されたい。

図６は、フェーズドアレイを有する変換器１０６を用いて収集される画像２４０を示す。フェーズドアレイは素子１０４を含む。素子１０４の全アレイは、各アパーチャに対して使用することができる。ビームフォーマ１１０は、素子１０４を各アパーチャに対して個別に操向し、従って画像２４０は、同時に送信される第１及び第２の送信ビーム２４２及び２４４を含む。焦点又は操向角度２４６は、ビームフォーマ１１０が送信ビーム２４２及び２４４の一方又は両方の焦点を変更するときに変えることができる。前述のように、複数の送信ライン２５４は、第１の送信ビーム２４２に対応して送信され、複数の送信ライン２５６は、第２の送信ビーム２４４に対応して送信される。また、１つ又はそれ以上の受信ライン２３２〜２３８は、各送信ライン２５４及び２５６に対して受信することができる。更に、第１及び第２の送信ビーム２４２及び２４４は、前述のように異なるモードを用いて送信することができる。従って、画像２４０がリアルタイムで収集されるときには、１つより多いモードを表示装置６７上に同時に表示することができる。

マルチライン送信器１０２は、第１及び第２の送信ビーム２４２及び２４４の送信に、コード化励起などの送信モードを用いることができる。コード化励起では、第１及び第２の送信ビーム２４２及び２４４の各々が独自のコードを有する。コードはコードジェネレータ１２４により生成することができる。

図７は、コード化励起に使用することができる周波数変調チャープ信号の実施例を示す。低周波から高周波を有する第１のチャープ信号２５０と、高周波から低周波を有する第２のチャープ信号２５２とが示されている。従って第１及び第２のチャープ信号２５０及び２５２は、それぞれ直線的に増大及び減少する周波数を有する。

線形、５レベル及び２Ｎ＋１増幅器のうちの１つなどの増幅器を利用したマルチライン送信器１０２は、第１及び第２のチャープ信号２５０及び２５２を、送信ライン２５４〜２５６によって送信される単一のパルスに結合することができ、従って、第１及び第２の送信パルス２４２及び２４４を同時に送信することができる。

或いは、第１及び第２のチャープ信号２５０及び２５２を送信している間にタイムオフセット（以下に詳細に述べる）を組み込むことができ、その結果、素子１０４は、両方の信号を同時に送信する必要がなくなる。２進コード（例えば、Ｂａｒｋｅｒ Ｇｏｌａｙ）などの他の信号形式を使用することもできる。

プッシュプル増幅器を使用している場合には、第１及び第２の送信ビーム２４２及び２４４の両方について素子１０４が同時にアクティブとなる可能性に対処するために、タイムオフセット又はタイムディレイを実装することができる。或いは、複数のマルチライン送信器１０２を用いてもよい。

図８は、受信コード化励起データを処理するためのサブモジュール２６０を示す。サブモジュール２６０は、２つの畳込みプロセッサ２６２及び２６４を含むが、更に多くの畳込みプロセッサを使用することができる点を理解されたい。サブモジュール２６０は、図９に示すようにビームフォーマ１１０の下流側にあるか、又は例えばビームフォーマ１１０内のＡＳＩＣ上に組み込むこともできる。

素子１０４は、第１及び第２の送信ライン２５４及び２５６を同時に送信する。上述のように、第１及び第２の送信ビーム２４２及び２４４は、複数の送信ラインを含む。従って、素子１０４は、受信ライン２３２〜２３８を受信する。単一の受信ライン２３２は、各送信ライン２５４に対して受信することができ、或いは、受信ライン２３２及び２３４などの複数の受信ラインは、各送信ライン２５４に対して受信することができる。従って、Ｍ個のラインが送信されている場合には、Ｎ個のラインを受信することができる。例えば、送信されている全てのラインに対して、４つのラインなどの２つ又はそれ以上のラインを受信することができる。従って、マルチライン送信器１０２が２つのラインを送信する場合には、マルチライン受信器１０８は、８つのライン（Ｎ×Ｍ）を受信する。

マルチライン受信器１０８は、受信ライン２３２〜２３８をビームフォーマ１２６に送る。サブモジュール２６０は、ラインの受信ライン２３２〜２３８をライン毎に１つずつデコードする。１つのサブセットの素子１０４によって送信され、別のサブセットの素子１０４によって受信されたエコー信号は次に、デコードフィルタ１２６によってフィルタ処理される。

ビームフォーマ１１０は、受信ライン２３２〜２３８をサブモジュール２６０に渡す。受信ライン２３２〜２３８は、両方の畳込みプロセッサ２６２及び２６４に送られ、そこで、同時に処理される。畳込みプロセッサ２６２は、第１のチャープ信号２５０の形状を用いて受信ライン２３２〜２３８を畳込み、第１の送信ビーム２４２を表す信号２６６を出力する。畳込みプロセッサ２６４は、第２のチャープ信号２５２の形状を用いて受信ライン２３２〜２３８を畳込み、第２の送信ビーム２４４を表す信号２６８を出力する。或いは、受信ライン２３２〜２３８を適用可能な送信コードの形状に対応する係数セットを用いて畳込みすることができる。従って、畳込みプロセッサ２６２が用いる係数は、畳込みプロセッサ２６４が用いる係数に対して反転されていることになる。次いで、信号２６６及び２６８は、更に処理されて表示装置６７上にリアルタイムで表示される。

図９は、幾つかの異なる周波数を用いて収集される画像２７０を示す。変換器１０６は、上述のように素子１０４のアレイを含み、該アレイは第１及び第２の重なりサブセット２７２及び２７４に分割されている。第１のサブセット２７２は、第１の周波数で送信ライン２８４を送信する。第１の送信ビーム２７６は、近距離音場の第１の焦点２８０で集束する。第２のサブセット２７４は、第２の周波数で送信ライン２８６を送信する。第２の送信ビーム２７８は、遠距離音場の第２の焦点２８２で集束する。この実施例では、第１の周波数は高周波で送信され、第２の周波数は低周波で送信される。複数の送信ビーム２７６及び２７８は、複数のサブセット２７２及び２７４に対応して定義することができ、異なる深さで集束された複数の異なる周波数の送信が可能である点を理解されたい。上述のように焦点深さは、ユーザ入力に応じてリアルタイムで変更することができる。

コード付き又はコードなしの重なりアパーチャを用いるマルチライン送信モードを用いて、３Ｄ、４Ｄ、時間分解能、色彩処理、デュプレックスなどを含む、フレームレートが改善された他の多くのイメージングモードを収集することができる点を理解されたい。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明は、請求項の技術思想及び範囲内の変更を実施することができることは当業者には明らかであろう。

本発明の実施形態に従って形成された超音波システム１００のブロック図。 本発明の１つの実施形態により形成された超音波システム。 ２つの重なりアパーチャを用いて収集された画像。 重なりアパーチャを用いて収集される画像 共通領域内で発生し得る発射シーケンスの実施例。 フェーズドアレイを有する変換器１０６を用いて収集される画像。 コード化励起に使用することができる周波数変調チャープ信号の実施例。 受信コード化励起データを処理するためのサブモジュール。 幾つかの異なる周波数を用いて収集される画像。

符号の説明

１０４ 素子
１０６ 変換器
１５０ 画像
１５２ 第１の送信ビーム
１５４ 第２の送信ビーム
１５６ 第１のサブセットの素子
１５８ 第２のサブセットの素子
１６０ 第１の送信ライン
１６２ 第２の送信ライン
１６４〜１７０ 複数の受信ライン
１７２、１７４ 分割線

Claims (10)

1. マルチビーム送信を用いて超音波データを収集する方法であって、
   第１のサブセットの素子（１５６）を用いて第１の送信ビーム（１５２）を送信する段階と、
   第２のサブセットの素子（１５８）を用いて第２の送信ビーム（１５２）を送信する段階と、
   を含み、
   前記第１及び第２のサブセットの素子（１５６、１５８）が、少なくとも１つの共通の素子（１０４）を含み、且つ前記第１及び第２のビーム（１５２、１５４）を同時に送信する方法。
2. 前記素子（１０４）を前記第１及び第２のサブセット（１５６、１５８）に分割する段階を更に含み、前記第１及び第２のサブセットの素子（１５６、１５８）が少なくとも部分的に異なるサブセットの素子を含むと共に、隣接する前記素子（１０４）を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記第１及び第２の送信ビーム（１５２、１５４）が更に複数の送信ライン（１６０、１６２）を含み、前記方法が前記複数の送信ライン（１６０、１６２）の各々に対して少なくとも２つの受信ライン（１６４〜１７０）を受信する段階を更に含む請求項１に記載の方法。
4. 前記素子（１０４）を前記第１及び第２のサブセット（１５６、１５８）に分割する段階を更に含み、前記第１及び第２のサブセット（１５６、１５８）が異なる前記素子（１０４）を含むと共に、異なる数の前記素子（１０４）を更に含む請求項１に記載の方法。
5. 前記第１及び第２の送信ビーム（１５２、１５４）にそれぞれ対応する第１及び第２の送信ライン（１６０、１６２）の両方を共通の前記少なくとも１つの素子（１０４）から送信する段階を更に含む請求項１に記載の方法。
6. 素子（１０４）のアレイを含む変換器（１０６）と、
   前記素子（１０４）のアレイを、少なくとも部分的に重なる少なくとも第１及び第２のサブセットの素子（１５６、１５８）に分割するためのビームフォーマ（１１０）と、
   前記第１及び第２のサブセットの素子（１５６、１５８）を励起して異なる第１及び第２の送信ビームをそれぞれ同時に送信する送信器（１０２）と、
   前記第１及び第２の送信ビームを表す受信ラインを受信する受信器（１０８）と、
   を含む超音波システム。
7. 前記第１及び第２のサブセットの素子（１５６、１５８）の各々が、隣接する素子を含む請求項６記載のシステム。
8. 前記第１及び第２のサブセットの素子（１５６、１５８）の各々が、異なる数の前記素子を含む請求項６記載のシステム。
9. 前記送信器が、前記第１及び第２の送信ビーム（１５２、１５４）に共通する少なくとも１つの共通素子から第１及び第２の送信ビームの両方をそれぞれ送信する請求項６記載のシステム。
10. 前記送信器が、異なる第１及び第２のコード化送信波形を前記第１及び第２のサブセットの素子（１５６、１５８）からそれぞれ送信する請求項６記載のシステム。

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